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AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE PARTICULIEREMENT POUR FREQUENCE
AUDIBLE.
La présente invention concerne des perfectionnements nouveaux et utiles aux amplificateurs de puissance à fréquence audible et elle concerne plus particulièrement des systèmes de transformateurs de couplage pour de tels amplificateurs.
De façon à améliorer la caractéristique de réponse de l'amplificateur, la sortie et la charge sent couplées au moyen d' un filtre. La réponse aux basses fréquences est accrue en utili- sant des tubes pentodes ou tubes similaires couplés vers la sortie au moyen d'un filtre passe-haut et la réponse à haute fréquence est étendue par couplage au moyen d'un filtre passe-bas et en uti- lisant des tubes triodes ou analogues.
Suivant la présente invention, le filtre comprend une impédance en shunt préférablement insérée en avant d'une section
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à coastante k.
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Dans les dessine :
La figure 1 est un diagramme de circuit connu d'un trans- formateur de couplage employant un tube pentode;
La figure la est un circuit équivalent approximatif du circuit d'anode de la figure 1 correct pour les basses fréquences;
La figure 1b est un circuit approximativement équivalent au circuit d'anode d'un amplificateur à couplage par transformateur employant une triode et correct pour les hautes fréquences;
La figure 2 est un diagramme de circuit d'un amplificateur mettant en oeuvre des caractéristiques de l'invention,
La figure 2a représente un circuit équivalent à celui de la figure 2 pour les basses fréquences;
La figure 2b représente diagrammatiquemeat la figure 2 divisée en sections de filtre ;
Les figures 3, 4, 8 et 9, représentent diagrammatiquemeat trois réalisations de l'invention;
Les figures 3a, 3b; 4a, 4b; 8a, 8b; et 9a, 9b; ont les mêmes relations avec les figures 3, 4, 8 et 9 respectivement que celles existant entre les figures 2a et 2b et la figure 2;
La figure 3c montre des courbes relatives à la figure 3;
Les figures 5 et 7 montrent diagrammatiquemeat deux réalisa tiens additionnelles de l'invention; et
La figure 6 est un diagramme montrant les performances des amplificateurs montrés dans les figures 1, 2,4 et 3.
La figure 1 représente une portion d'un amplificateur de puissance utilisant une pentode, un tube à faisceau 1 et couplés au moyen d'un transformateur 2 avec une charge R1.
Aux basses fréquences, ce circuit peut être représenté par le circuit équivalent de la figure la, dans lequel le trans- formateur 2 et sa charge associée R1 sont représentés par l'im- ductance supplémeataire primaire Lp du transformateur shunté par une résistance de charge équivalente R1 formez par référence à la charge R1 sur le coté primaire du transformateur. Le tube dans le
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cas de pentodes ou de tubes à faisceau peut 8tre représenté par un générateur de courant constant.
Dans un tel arrangement le voltage du début tombe aux basses fréquences en raison de l'effet de court circuit de l'indue- tance primaire du transformateur. La caractéristique d'amplifica- tion en fonction de la fréquence est donnée par la courbe en poin- tillé de la figure 6, le voltage de sortie tombant à 70% de la va- leur aux plus hautes fréquences à la fréquence qui rend la réactance inductive du primaire du transformateur égale à la réactance équi- valente de la charge Rl. Avec cette perte dans l'amplification de voltage aux basses fréquences, il y a une perte correspondante dans la capacité de puissance résultant du fait que l'importance de charge présentée au tube de basse fréquence n'a pas la valeur conve- nable pour le maximum de débit de puissance.
Suivant la présente Invention le transformateur est asso- cié avec des éléments réactifs choisis et disposés de façon à amé- liorer les caractéristiques de réponse. Dans ce but, l'inductance primaire Lp est incorporée comme élément shunt (fig. 2, 2a, 2b) dans un circuit de filtre passe-haut dans lequel l'impédance carac- téristique est rendue égale à la résistance de charge R1. Ce ré- seau de filtrage est préférablement établi de façon qu'il fournisse la plus basse fréquence de coupure possible pour une inductance en shunt Lp et une résistance de charge R1.
Les possibilités de cette méthode d'étendre la réponse aux basses fréquences seront réalisées lorsque l'inductance Lp con- stituera l'inductance mi-shunt d'une section passe haut à constante k (réseau inverse) avec des éléments réactifs suffisant ajoutés de façon à constutuer le réseau de couplage jusqu'au point où il four- nit une impédance image constante aux deux extrémités du réseau.
L'arrangement de circuit est montré dans la figure 2; le circuit équivalent aux basses fréquences est montré dans la figure 2a dans laquelle les constantes convenables du circuit sont données. Les chiffres indiquant le rapport de réactance R1 à une fréquence pour
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laquelle # Lp-R1. La figure 2b montre le circuit équivalent divisé en deux filtres, Ici le réseau de couplage en partant du tube 1 et en allant vers la résistance de charge R1 consiste successivement en une demi-section du type M dérivé avec M = 0,6, un réseau inverse complet (section à constante k) une demi-section à constante k et, finalement, une demi section terminale du type M dérivé avec M = 0,6.
Avec cet arrangement l'inductance du traas- formateur Lp, fourmit l'un des éléments shunt d'un filtre qui est établi pour fournir une transmission uniforme et pour avoir une im- pédance constante à travers toute la gamme de passage, on peut montrer qu'avec une résistance de charge donnée et une inductance shunt donnée, cet arrangement particulier fournit la plus basse fréquence de coupure qu'il est possible d'obtenir et ainsi donne la meilleure réponse aux basses fréquences réalisable avec un trans- formateur et une résistance de charge données.
La caractéristique de réponse d'un tel réseau de couplage est donnée par la courbe a dans la figure 6. On notera que le vol- tage de débit est constant à plus ou moins 5% jusqu'à une fréquence d'approximativement 55% de la fréquence à laquelle un simple cou- plage par transformateur donne 70,7% de réponse. De plus, le nou- veau réseau de couplage donne une impédance sensiblement constante à ses bornes d'entrée jusqu'à la fréquence de coupure et il a une meilleure oaractéristique de phase qu'un simple oouplage par trans- formateur.
Un réseau de oouplage de complexité infinie pourrait être établi en vue de donner une réponse absolument constante et une impédance également constante jusque exactement la moitié de 70,7% de la fréquence d'un simple couplage par transformateur, mais le réseau de couplage fini de la figure 2 donne une performance qui approche très sensiblement de la meilleure qu'il est possible théoriquement d'obtenir.
Le réseau de couplage de la figure 2 peut être simplifié comme montré dans la figure 3 sans sacrifice sur la caractéristique d'amplification de voltage. La relation entre les figures 3, 3a et
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30 est ia même qu'entre ies rigures 2, 2a et 2b, ce réseau diffère de celui de la figure 2 en ce que la demi section du type M dérivée sur l'entrée ou le côté plaque du réseau a été remplacée par une inductance shunt. Le réseau à gauche en conséquence consiste en cette inductance shunt auxiliaire suivie par 1 1/2 section du ré- seau inverse et une 1/2 section terminale du type M dérivé à l'ex- trémité de charge.
La fonction remplie par l'inductance auxiliaire shuntant l'entrée est comme suit : considérant pour le moment que l'induc- tance auxiliaire shunt est omise, on a alors un réseau de couplage qui est égalisé avec la résistance de charge à ses bornes de sortie, mais il y a aux bornes d'entrée une impédance qui est l'impédance caractéristique d'un réseau inverse de section de filtre avec une terminaison mi-shunt (ou IL). Une telle impédance caractéristique est montrée par la ligne continue dans la figure 3c et elle provoque une variation de voltage entre les bornes d'entrée qui est repré- sentée d'une façon analogue par la ligne continue.
La caractéristique de réponse du réseau de couplage en 1 absence d'une inductance auxiliaire en shunt n'est pas alors con- stante avec la fréquence dans toute la gamme de passage, car bien que le réseau de couplage fournisse une transformation de voltage en raison de la caractéristique non symétrique d'impédance qu'il possède, la transformation de voltage est proportionnelle à la racine carrée du rapport d'impédance, tandis que le voltage existant entre les bornes d'entrée est directement proportionnel à l'impé- dance d'entrée.
En conséquence, pour obtenir un voltage constant aux ex- trémités de la résistance R1 on désire un voltage entre les bornes d'entrée et par suite une impédance d'entrée qui varie suivant la ligne pointillée dans la figure 30. Cette impédance d'entrée dési- rée peut être obtenue approximativement et d'une façon assez appro- chée en shuntant les bornes d'entrée du réseau de couplage avec une inductance shunt auxiliaire convenable comme montrée dans la
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figure 3. La valeur exacte de l'inductance shunt qui devrait être utilisée dépendra des caractéristiques de réponse aux basses fré- quences qui sent les plus désirées.
Les proportions désirables, cependant, sont telles que l'inductance shunt totale (inductance auxiliaire en parallèle avec l'Anductance shunt d'entrée du filtre) est de l'ordre de 1,27 Lp (figure 3a)
La caractéristique d'amplification obtenue avec le réseau de couplage de la figure 3 est donnée par la courbe b de la figure 6. On notera que cette caractéristique est supérieure même à celle du réseau précédent bien qu'elle soit inférieure au point de vue de l'impédance offerte aux tubes à basse fréquence.
On notera que le réseau de couplage de la figure 3 est essentiellement une alimentation shunt ordinaire ayant des bobines de choc convenablement proportionnées avec un condensateur de cou- plage associé avec également l'addition de réseaux réactifs C3 L3 C4 sur le coté secondaire du transformateur.
Une simplification supplémentaire du réseau de couplage est possible telle que montrée dans les figures 4, 4a et 4b. Cet arrangement est analogue à celui de la figure 3 exepté que la demi- section terminale sur l'extrémité de charge suit directement après la première section inverse de réseau sans faire intervenir la demi-section de réseau inverse. L'inductance de charge qui est fournie par le primaire du transformateur ne représente plus l'in- ductance shunt d'une section de réseau inverse. Il en résulte que si on part avec une résistance de charge donnée et une inductance primaire donnée, il est nécessaire d'établir le réseau de filtre de couplage avec une fréquence de coupure 25% plus élevée que dans les deux cas précédents.
La caractéristique d'amplification de voltage obtenue avec le réseau de la figure 4 et avec les proportions indiquées est donnée par la courbe c de la figure 6. On notera que l'amplifica- tion de voltage est constante dans les limites de plus ou moins 14% jusqu'à une fréquence qui est approximativement 68% de la fré-
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queace à laquelle un simple couplage par transformateur donne 70,7% de réponse. Ceci n'est pas une caractéristique aussi benne que oelle obtenue avec les réseaux précédents, mais elle constitue un perfectionnement marqué comparé à un simple couplage par transforma- teur. De plus, ce perfectionnement est obtenu par l'addition d'un seul circuit résonant L C3 à un système d'alimentation shunt con- venablement établi.
On verra, en conséquence, que des améliorations très marquées dans la caractéristique de réponse aux basses fré- quences peuvent être obtenues dans le cas d'un amplificateur de puissance à pentode ou à faisceau par l'emplei de réseaux de cou- plage convenables. il est possible de réaliser avec un réseau rai- sonnablement simple pratiquement toutes les possibilités qui peuvent théoriquement être obtenues avec les limitations d'une résistance de charge et d'une inductance primaire de transformateur spécifiées.
Dans les formes les plus simples les réseaux de couplage envisagés sont simplement convenablement établis pour des arraagements à ali- mentation shunt auxquels deux ou trois éléments réactifs ont été ajoutés sur le côté secondaire du transformateur. On doit noter que les bobines de choc de l'alimentation shunt et le condensateur du couplage doivent avoir des dimensions données spécifiques, mais que les valeurs nécessaires représentent des éléments moins chers que dans le cas où l'établissement de l'alimentation shunt est exécuté brutalement.
Les arrangements décrits dans les figures 2 et 4 pour améliorer la réponse à basse fréquence s'appliquent aussi directe- ment aux systèmes de couplage dans lesquels le transformateur est remplacé par le simple arrangement d'alimentation shunt montré dans la figure 5. Avec un tel système à couplage direct l'inductance
Lp, du filtre et le condensateur de blocage Cc sont insérés dans le réseau de couplage comme un condensateur du filtre; ainsi dans le réseau de couplage de la figure 2 Lp, et Cc peut être utilisé pour fournir soit L2 et C2 ou Lp et C3, tandis que dans la figure 4 il pourrait fournir L2 C2 respectivement.
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Le principe exposé ci-dessus peut être utilisé pour amé- liorer la caractéristique à hautes fréquences d'un transformateur de sortie particulièrement dans le cas de tubes de puissance triode.
Aux hautes fréquences, le transformateur de sortie agit comme une inductance série L entre les capacités shunt C1 et C2 fournies par les capacités distribuées primaires et secondaires (voir fig. lc).
Dans des conditions pratiques les capacités shunt est peu d'effet aveo le résultat que la réponse de voltage aux hautes fréquences tombe en raison de ce que l'inductance réactive du transformateur réduit le courant dans la charge.
Quelque amélioration dans la caractéristique de haute fréquence peut être obtenue en prévoyant des capacités de padding sur les capacités primaires et secondaires pour fournir une section complète de réseau inverse ayant la plus haute fréquence de cou- pure possible tout en maintenant un voltage de sortie raisonnable- m ent constant lorsque l'inductance L, la résistance de charge R1 et la résistance de plaque Rp sont données.
La plus grande amélioration est obtenue en construisant le réseau de couplage de façon que l'inductance de filtre L du transformateur serve comme l'inductance série complète d'un réseau inverse d'une section passe bas sur laquelle des demi-sections ter- minales sont ajoutées comme indiqué dans les figures 8, 8a, eb.
Cet arrangement fournit une extension marquée de la caractéristique des hautes fréquences et aussi maintient une caractéristique d'im- pédance constante jusqu'à la fréquence de coupure. Dans le cas où le tube fonctionne avec une résistance de charge considérablement plus grande que la résistance de plaque, la fréquence de coupure du réseau de couplage peut être presque deux fois la fréquence à laquelle un simple couplage par transformateur donnerait 70,7% de la réponse à mi-fréquence. De façon à obtenir ce résultat désirable il est simplement nécessaire d'ajouter deux circuits résonants et deux condensateurs en shunt sur le transformateur.
Une modification du réseau de couplage de la figure 8 est
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donnée dans les figures 9, 9a et 9b. Ici la demi-section terminale sur le c8té tube du réseau a été remplacée par un condensateur shunt de la même manière et en suivant la même ligne de raisonnement par laquelle la terminaison d'entrée dans la figure 2 a été remplacée par une inductance shunt dans la figure 3. Cet arrangement élimine un des circuits résonants nécessaires dans le réseau de couplage et donne approximativement la même caractéristique de réponse en voltage que celui de la figure 7 bien que l'impédance caractéri- stique aux hautes fréquences ne soit pas aussi bonne.
Les réseaux de couplage qui ont été décrits sont capables d'étendre d'approximativement une octave la caractéristique de ré- ponse de fréquence aux basses fréquences d'un amplificateur de puissance à couplage par transformateur utilisant une pentode ou tube similaire. Avec des triodes, une extension similaire appro- chant une octave peut être réalisée dans la réponse à haute fré- quence. Les réseaux ne sent pas, cependant, particulièrement utiles aux basses fréquences dans le cas de tubes triodes ou aux hautes fréquences dans le cas de tubes pentodes, car ici la seule amélio- ration est une amélioration de la caractéristique d'impédance.
Les réseaux proposés sent suffisamment simples pour re- présenter un moyen hautement pratique pour obtenir des caractéri- stiques améliorées. Ils doivent être particulièrement utiles lors- que de telles larges bandes doivent être utilisées et remplacer ainsi le transformateur ordinaire de sortie.
Bien que l'invention ait été écrite en relation avec un nombre limité d'exemples de réalisation, il est clair qu'elle est susceptible de nombreuses modifications et adaptations qui appa- raitrent immédiatement à l'homme de l'art.